Кіріспе

Электр энергиясын өндіру және жеткізуді қамтамасыз ететін сала. Электр энергетикасы электр энергиясын өндіру, беру, тарату және оны халыққа және өнеркәсіпке сатуды қамтиды. Электр энергиясын коммерциялық түрде тарату 1882 жылы электр жарығын өндірумен басталды. 1880-ші және 1890-шы жылдары экономикалық және қауіпсіздік мәселелері күшейіп, саланың реттелуіне әкелді. Бұрынғыда қымбат жаңалық саналған және тек халық тығыз қоныстанған аймақтарда қолжетімді болған сенімді әрі экономикалық электр қуаты, дамыған экономиканың барлық элементтерінің қалыпты жұмыс істеуі үшін қажетті аспектіге айналды. 20-шы ғасырдың ортасына қарай электр энергиясы "табиғи монополия" ретінде қарастырылды, ол тек нарыққа шектеулі ұйымдар қатысқанда ғана тиімді болатын. Кейбір аймақтарда тік интеграцияланған компаниялар өндірістен бастап бөлшек саудаға дейінгі барлық кезеңдерді қамтамасыз етеді, ал мемлекеттік бақылау қайтару деңгейі мен шығындар құрылымын реттейді. 1990-шы жылдардан бері көптеген аймақтар электр энергиясын өндіру және таратуды бөліп шығарды. Мұндай нарықтарда манипуляциялар болуы мүмкін, бұл тұтынушылар үшін баға мен сенімділікке кері әсер етеді, бірақ электр энергиясын өндірудегі бәсекелестік тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді. Дегенмен, беру және тарату мәселелері қиын, себебі инвестициялардан түсетін пайданы табу оңай емес.

Тарих

Электр энергиясының электролиттік элементтегі химиялық реакциялардың нәтижесінде өндірілетіндігі 1800 жылдан бері белгілі болғанмен, Алессандро Вольта вольталық бағанасын жасағаннан бастап, оны осылай өндіру қымбатқа түсті және қазір де қымбат. 1831 жылы Майкл Фарадей айналмалы қозғалыстан электр энергиясын өндіретін машина ойлап тапты, бірақ бұл технологияның коммерциялық деңгейге жеткеніне шамамен 50 жыл уақыт кетті. 1878 жылы АҚШ-та Томас Эдисон газбен жарықтандыру мен жылытудың орнына жергілікті түрде өндіріліп, таратылатын тұрақты ток электр энергиясын пайдаланып, коммерциялық тұрғыда тиімді жаңаша құрылғыны жасап, сатты. Роберт Хаммонд 1881 жылдың желтоқсан айында Ұлыбританиядағы Суссекс округындағы Брайтон қаласында жаңа электр шамдарын сынақ үшін көрсетті. Бұл орналымның табысы Хаммондқа осы жобаны коммерциялық және заңдық тұрғыдан реттеуге мүмкіндік берді, себебі көптеген дүкен иелері жаңа электр шамдарын пайдалануға ниет білдірді. Осылайша "Хэммонд Электрмен Жабдықтау" компаниясы құрылды. 1882 жылдың басында Эдисон Лондондағы Холборн виадугінде әлемдегі алғашқы бумен жұмыс істейтін электр энергиясын өндіру стансасын ашты, онда ол қалалық әкімшілікпен үш айға көшелерді жарықтандыруға келісім жасасты. Кейін ол көптеген жергілікті тұтынушыларды электр шамдарымен қамтамасыз етті. Электр қуатын беру тәсілі – тұрақты ток (DC) болды. Годалминг және 1882 жылғы Холборн виадугі схемасы бірнеше жылдан кейін жабылса, Брайтон схемасы жалғасты және 1887 жылы тәулік бойына электр қуаты берілді. Эдисон 1882 жылдың қыркүйегінде Нью-Йорктегі Перл-стрит электр стансасын ашты, ол да тұрақты токпен жұмыс істеді. Сондықтан Эдисон кернеуді өзгертуге мүмкіндігі болмағандықтан, электр энергиясын өндіру тұтынушыларға жақын жерде немесе олардың үйлерінде орналастырылды. Кез келген электр жүйесі үшін таңдалған кернеу – шартты келісім. Белгілі бір қуат мөлшері үшін кернеуді арттыру токты азайтады, демек, қажетті сымның қалыңдығы да азаяды. Алайда, бұл тікелей жанасу қаупін арттырады және оқшаулаудың қажетті қалыңдығын арттырады. Сонымен қатар, кейбір жүктеме түрлерін жоғары кернеумен жұмыс істеуге қиын немесе мүмкін емес еді. Нәтижесінде, Эдисонның жүйесі электр станцияларының тұтынушылардан бір шақырымнан аспауы тиіс болды. Бұл қала орталықтарында жұмыс істесе де, қала маңындағы елді мекендерге электр қуатын беруге экономикалық тұрғыдан мүмкін емес еді. 1880-жылдардың ортасы мен соңында Еуропа мен АҚШ-та ауыспалы ток (AC) жүйелері енгізілді. AC қуатының артықшылығы – электр станцияларында орнатылған трансформаторлар генераторлардан кернеуді арттыруға, ал жергілікті қосалқы станциялардағы трансформаторлар кернеуді төмендетіп, жүктемелерге қуат беруге мүмкіндік берді. Кернеуді арттыру тарату және тарату желілеріндегі токты азайтады, соның салдарынан өткізгіштердің мөлшері мен тарату шығындары төмендейді. Бұл электр қуатын ұзақ қашықтыққа таратуды тиімдірек етті. Генераторларды (мысалы, гидроэлектр станцияларын) жүктемелерден алыс орналастыруға болады. AC және DC жүйелері біраз уақыт бойы "тоқтар соғысы" деп аталатын кезеңде бәсекелестікке түсті. DC жүйесі біршама қауіпсіздік артықшылығына ие болды, бірақ бұл айырмашылық ауыспалы токның үлкен техникалық және экономикалық артықшылықтарын жеңіп шығуға жеткіліксіз болды. Транзистор технологиясы 1947 жылға дейін, нүктелік контактілі транзистордың ойлап табылуымен басталады, одан кейін 1948 жылы биполярлы тоқпен басқарылатын транзистор (BJT) пайда болды. 1950-жылдары жоғары қуатты жартылай өткізгіш диодтар қолжетімді болды және вакуумдық түтіктерді алмастыра бастады. 1956 жылы кремниймен басқарылатын түзетуші (SCR) енгізілді, бұл қуатты электронды қосымшалардың ауқымын кеңейтті. Қуат электроникасындағы маңызды жаңалық 1959 жылы MOSFET (металл-оксидті жартылай өткізгіш өрістік эффектілі транзистор) ойлап табылуымен болды. MOSFET-тердің әр буыны электр дизайнерлеріне биполярлы транзисторлармен мүмкін емес өнімділік және тығыздық деңгейлеріне қол жеткізуге мүмкіндік берді. 1969 жылы Hitachi компаниясы алғашқы тік қуатты MOSFET-ті ұсынды, ол кейін VMOS (V-жолақты MOSFET) деп аталды. Қуатты MOSFET қазіргі таңдағы ең көп қолданылатын қуатты құрылғы болып табылады, себебі оның кішігірім шлюздік қуаты, жылдам ауысу жылдамдығы, оңай қатарластыру мүмкіндігі, кең жолақтылығы, беріктігі, оңай басқарылуы, қарапайым бейтараптандырылуы, қолдану оңайлығы және жөндеу оңайлығы бар. Электр энергиясы нарығының реформасының сипаты мен күйі көбінесе электр компанияларының барлық инфрақұрылымды меншікке алмастан, осы процестердің кейбіреулеріне қатысуына мүмкіндік береді, немесе азаматтар инфрақұрылымның қандай бөліктерін пайдалануды таңдайды. Электрмен жабдықтау дерегуляцияланған елдерде электр энергиясын пайдаланушылар қымбат жасыл электр энергиясын таңдауға мүмкіндік алады.

Ұрпақ

Өндіріс – электр желісінде коммерциялық қолдануға жарамды электр энергиясына бастапқы энергия көзін түрлендіру. Көптеген коммерциялық электр қуаттары айналмалы электр машиналары, яғни “генераторлар” арқылы өндіріледі. Бұл генераторлар электр тогын жасау үшін өткізгіштерді магнит өрісінде қозғалтады. Генераторды басқа негізгі қозғалтқыш машина айналдырады; әдетте желіге қосылған генераторларда бұл бу турбинасы, газ турбинасы немесе гидротурбина болады. Бұл машиналар үшін бастапқы энергия көздері көбінесе қазба отыны (көмір, мұнай, табиғи газ), ядролық бөліну, геотермалды бу немесе құлайтын су. Жел және күн энергиясы сияқты жаңаруға қабілетті энергия көздерінің коммерциялық маңызы артып келеді. Электр энергиясын өндіру, электр тұтынумен тығыз үйлестірілуі керек болғандықтан, шың сұранысты қанағаттандыру үшін жеткілікті өндіріс қуаты орнатылуы тиіс. Сонымен қатар, өндірілген электр энергиясының құнын азайту үшін бастапқы энергия көздерін таңдау қажет. Әдетте, электр энергиясының ең төменгі ұсымдылық құнына ие көз, сұраныстың өсуіне жауап беру үшін келесі қосылатын бірлік болады. Электр генераторлары электр беру жүйесіне берілетін қуатты реттеу үшін автоматтік басқару жүйесімен жабдықталған, генератордың шығысын электр сұранысына сәйкес ету үшін үнемі түзету жасайды. Көптеген генераторлар (ондаған немесе жүздеген) және мыңдаған жүктемелер бар үлкен желіде генераторлардың тұрақты жабдықталуын басқару – экономикалық, экологиялық және сенімділік талаптарын қанағаттандыруға қатысты маңызды қиындықтар тудыратын мәселе. Мысалы, ядролық электр станциялары сияқты төмен ұсымдылық құнына ие өндіріс көздері, қосылған жүйенің орташа “негізгі жүктемесін” қанағаттандыру үшін үздіксіз жұмыс істей алады, ал табиғи газ турбиналары сияқты қымбат қуат станциялары күндіздің белгілі бір уақыттарында ғана шың жүктеменің қанағаттандыру үшін қысқа мерзімге қосылады. Сонымен қатар, жүктемені басқару стратегиялары электр энергиясына деген сұранысты теңдестіріп, қымбат шыңдарды азайтуға көмектеседі. Белгілі бір электр желісіне арналған генератор бірліктері, сұраныстың күрт өсуіне немесе басқа генератор бірліктеріндегі ақауларға жауап беру үшін ғана “айналмалы резерв” ұстау үшін жартылай қуатпен жұмыс істей алады. Электр энергиясын өндіруден басқа, электр өндіруші бірліктер электр желісіне жиілікті басқару, реактивті қуат және тоқтатылған электр желісін қайта іске қосу сияқты қосымша қызметтерді де ұсынуы мүмкін. Электр энергиясын өндіру, тарату және тарату компаниялары жеке коммерциялық ұйымдар болған жағдайда, бұл қосымша қызметтер коммерциялық тұрғыдан құнды болуы мүмкін.

Электр қуатын беру

Электр энергиясын беру – электр энергиясын өндіру орнынан, мысалы, электр стансасынан электр қосалқы станциясына дейін электр энергиясының көп көлемді қозғалысы. Осы қозғалысты қамтамасыз ететін өзара байланысқан желілер тасымалдау желісі деп аталады. Бұл жоғары кернеулі қосалқы станциялар мен тұтынушылар арасындағы жергілікті сымдардан ерекшеленеді, ол әдетте электр қуатын тарату деп аталады. Біріктірілген тасымалдау және тарату желісі Солтүстік Америкада "электр желісі" немесе жай ғана "желі" деп аталады. Ұлыбританияда, Үндістанда, Малайзияда және Жаңа Зеландияда бұл желі Ұлттық желі деп танылады. Солтүстік Америкада "бірлестіру" деп те аталатын кең аумақты синхронды желі, көптеген генераторларды бірдей салыстырмалы жиілікпен айнымалы ток (AC) қуатын көптеген тұтынушыларға тікелей қосып байланыстырады. Мысалы, Солтүстік Америкада төрт негізгі бірлестіру бар (Батыс бірлестіруі, Шығыс бірлестіруі, Квебек бірлестіруі және Техас Электр Сенімділік Кеңесі (ERCOT) желісі). Еуропада континенттік Еуропаның көп бөлігін байланыстыратын бір үлкен желі бар. Тарихи тұрғыдан алғанда, тасымалдау және тарату желілері бір компанияға тиесілі болған, бірақ 1990 жылдардан бастап көптеген елдер электр энергиясы нарығын либерализациялады, нәтижесінде электр энергиясын тасымалдау бизнесі тарату бизнесінен бөлінді.

Электр қуатын тарату

Электр қуатын тарату – электр қуатын жеткізудің соңғы сатысы; ол электр қуатын беру жүйесінен жеке тұтынушыларға дейін жеткізеді. Тарату подстанциялары беру жүйесіне қосылып, трансформаторлардың көмегімен беру кернеуін 2 кВ-тан 35 кВ-қа дейінгі орташа кернеуге төмендетеді.

Электрлік бөлшек сауда

Электр энергиясын бөлшек сату – электр энергиясын өндірістен соңғы тұтынушыға сату процесі.

Әлемдегі электр энергиясы саласы

Электр секторының ұйымдастырылуы елдің немесе аймақтың экономикалық жүйесіне байланысты әртүрлі болады. Кейбір жерлерде электр қуатын өндіру, беру және таратуды мемлекеттік бақылаудағы ұйым қамтамасыз етеді. Басқа аймақтарда жеке меншік немесе инвесторларға тиесілі коммуналдық компаниялар, қалалық немесе муниципалдық компаниялар, өз клиенттеріне тиесілі кооперативтік компаниялар немесе олардың комбинациялары кездеседі. Электр қуатын өндіру, беру және таратуды бір компания ұсынуы мүмкін, немесе жүйенің әр бөлігін әртүрлі ұйымдар қамтамасыз ете алады. Барлық адамдардың электр желісіне қолжетімділігі жоқ. 2017 жылы шамамен 840 миллион адам (көбінесе Африкада) электр қуатына қол жеткізе алмады, бұл көрсеткіш 2010 жылы 1,2 миллиардтан төмен болған.

Нарық реформасы

Электр энергиясымен қамтамасыз етудің бизнес-моделі жылдар бойы өзгеріп, қазіргі электр энергетика саласының қалыптасуында маңызды рөл атқарды; электр энергиясын өндіруден, беруден, таратудан бастап, соңғы жергілікті сатуға дейін. Бұл өзгеріс 1990 жылы Англия мен Уэльсте электрмен жабдықтау индустриясы реформаланғаннан бері айқын байқалды.

Америка Құрама Штаттары

1996-1999 жылдары Федералдық энергияны реттеу комиссиясы (FERC) АҚШ-тың электр энергиясының көтерме сауда нарығын жаңа қатысушыларға ашуға бағытталған бірқатар шешім қабылдады, бәсекелестікті ынталандыру арқылы тұтынушыларға жылына 4-5 миллиард доллар үнемдеуге және саланың техникалық инновацияларын дамытуға үміттенді. Барлық нарық қатысушыларына қолданыстағы мемлекетаралық беру желілеріне еркін қол жеткізу үшін қадамдар жасалды. №888 бұйрығы вертикальды интеграцияланған электр энергетикалық компанияларға электр беру, электр энергиясын өндіру және сату бизнесін функционалды түрде бөліп жүргізуді міндеттеді, өзін-өзі пайдаланудың алдын алу мақсатында. №889 бұйрығы барлық қатысушыларға қол жетімді беру қуаты және бағалары туралы ақпаратқа уақтылы қол жеткізуді қамтамасыз ететін жүйені құрды. FERC сондай-ақ электр желісін басқаруға тәуелсіз жүйе операторларын (ISO) тағайындау концепциясын қолдады – бұл функция дәстүрлі түрде вертикальды интеграцияланған электр энергетикалық компанияларының жауапкершілігінде болған. Тәуелсіз жүйе операторының концепциясы аймақтық беру ұйымдарына (RTO) дамыды. FERC-тің ниеті – АҚШ-тың мемлекетаралық электр беру желілеріне иелік ететін барлық компаниялар осы құрылғыларды RTO бақылауына беруіне қол жеткізу болды. 1999 жылы шығарылған №2000 бұйрығында (Аймақтық беру ұйымдары) FERC RTO-ның ие болуы тиіс минималды мүмкіндіктерді нақтылады. Толыққанды өзара байланысты желі және біріктірілген ұлттық электр нарығын құруға бағытталған бұл шешімдер АҚШ электр энергетикасы саласының қайта құрылуына әкелді. Бірақ бұл процеске көп ұзамай екі кері соққы тиді: 2000 жылғы Калифорниядағы энергетикалық дағдарыс және Энронның жанжалы мен құлдырауы. Саланың қайта құрылуы жалғасқанмен, бұл оқиғалар бәсекелестік нарықтардың манипуляцияға ұшырауы мүмкін екенін және оларды тиісінше жобалау және бақылау қажеттігін көрсетті. Сонымен қатар, 2003 жылғы Солтүстік-Шығыстағы тоқ тоқтауы бәсекеге қабілетті бағаларға және жоғары сенімділік стандарттарына бірдей назар қажеттігін көрсетті.

Басқа елдер

Кейбір елдерде электр энергиясының көтерме сауда нарықтары жұмыс істейді, онда генераторлар мен бөлшек саудагерлер акциялар мен валюта сияқты электр энергиясымен сауда жасайды. Дерегуляция жалғасып жатқанда, энергия нарығы фьючерстік және спот нарықтар мен басқа да қаржылық құралдарды қолдану арқылы газ нарығымен үйлесімді болуына байланысты, коммуналдық қызметтер өз активтерін сатуға итермеленеді. Тіпті, шетелдік сатып алулар арқылы жаһандану процесі де жүзеге асуда. Мұндай сатып алулардың бір мысалы – әлемдегі ең ірі жеке электр энергиясын жеткізуші компания болып табылатын Ұлыбританияның National Grid компаниясының Жаңа Англиядағы бірнеше электр энергиясын жеткізуші компанияларды 3,2 миллиард долларға сатып алуы. 1995 және 1997 жылдар аралығында Англия мен Уэльстегі 12 өңірлік электр компаниясының жетісі АҚШ энергетикалық компанияларына сатылды. Ішкі нарықта, жергілікті электр және газ компаниялары бірлескен қызмет көрсетудің, әсіресе бірлескен есептеудің төмендеуіне байланысты артықшылықтарын көріп, операцияларын біріктірді. Бәсекеге қабілетті электр энергиясының көтерме сауда нарықтарында технологиялық жетістіктер орын алуда, мысалы, ғарышқа ұшуда қолданылатын отын жасушалары; реактивтік ұшақтарда қолданылатын аэродинамикалық газ турбиналары; күн энергиясын пайдалану және фотоэлектрлік жүйелер; жағалаудағы жел электр станциялары; және цифрлық әлемнің дамытуымен пайда болған коммуникация жетістіктері, әсіресе мониторинг пен диспетчерлік жүйелерде көмектесетін микропроцессорлар.

Болашақ

Электр энергиясына деген сұраныс болашақта артуы күтілуде. Ақпараттық революция электр қуатына үлкен тәуелділікте. Өсудің басқа да салаларына жаңа электр энергиясын қолданатын технологиялар, кеңістікті кондициялаудағы жетістіктер, өнеркәсіптік процестер және көлік құралдары (мысалы, гибридтік көліктер, локомотивтер) кіреді.